Les détecteurs de vertex du futur

7/12/20057/12/2005 Prospective DAPNIAProspective DAPNIA 11

Les détecteurs de vertex Les détecteurs de vertex du futurdu futur

Illustration avec les capteurs Illustration avec les capteurs MAPS-CMOS pour l’ILCMAPS-CMOS pour l’ILC

P.Lutz SppP.Lutz Spp


PLANPLAN Un peu d’histoire (le paysage)Un peu d’histoire (le paysage) Les besoins de la physique (la tendance)Les besoins de la physique (la tendance) dictent les contraintes sur le détecteur.dictent les contraintes sur le détecteur. Les limites des détecteurs actuelsLes limites des détecteurs actuels Les principales lignes de R&DLes principales lignes de R&D La solution des MAPSLa solution des MAPS * les performances obtenues* les performances obtenues * les challenges de la R&D* les challenges de la R&D * les applications actuelles/futures* les applications actuelles/futures ConclusionsConclusions


• Since late’70s, successful vertex detectors (for heavy flavour tagging) were mainly based on silicon microstrips

• Interesting technology shift is under way. Within 5 years, will mostly be based on silicon pixels

• Why is this?

• highest performance b and charm reconstruction in dense track environments has come from two pixel-based detectors, NA32 in ’80s, SLD in ’90s

• extreme radiation environments in the inferno close to IP at future hadron colliders

• high backgrounds, and high track density in core of jets at future e+e- colliders

• These disparate requirements at hadron and e+e- colliders have very different solutions (both of them pixel-based), and are supported by contrasting R&D programmes

• This transition to pixels implies synergies with other areas of science, where images taken with IR, visible, UV, X-rays benefit from the technologies being developed for HEP vertex detectors, and vice versa


Les besoins de physique qui Les besoins de physique qui sous-tendent le cahier des chargessous-tendent le cahier des charges

Comprendre les lois de la Nature en HEP repose de plus en plus sur Comprendre les lois de la Nature en HEP repose de plus en plus sur l’étiquetage des saveurs lourdes, rendu possible par la reconstruction l’étiquetage des saveurs lourdes, rendu possible par la reconstruction précise des vertex déplacés. cprécise des vertex déplacés. c ~ 90 – 500 ~ 90 – 500 m m

On veut pouvoir signer la On veut pouvoir signer la saveursaveur (b (b etet c) et la c) et la chargecharge associée à un associée à un vertex.vertex.

La plupart des états finals contiennent des b, des c et/ou des La plupart des états finals contiennent des b, des c et/ou des , souvent , souvent par l’intermédiaire des bosons (W, Z, H) ou du quark t.par l’intermédiaire des bosons (W, Z, H) ou du quark t.

* mesures des Br. du Higgs, des asymétries A* mesures des Br. du Higgs, des asymétries AFBFB, A, ALRLR, etc., etc. * reconstruction de chaînes de désintégration en assignant chaque * reconstruction de chaînes de désintégration en assignant chaque

trace à son vertex d’origine (primaire, secondaire, tertiaire), dans un trace à son vertex d’origine (primaire, secondaire, tertiaire), dans un environnement multi-jet: environnement multi-jet: _ __ _

ee++ee-- tt tt bbWW 6 jets bbWW 6 jets ee++ee-- HHZ HHZ WWWWZ 10 jets WWWWZ 10 jets

La physique de précision possible à l’ILC implique un détecteur très La physique de précision possible à l’ILC implique un détecteur très précis.précis.


Le but : identifier la saveur et la charge de chaque jet avec à la fois une très grande efficacité et pureté (charme)

Implique : un vertex-détecteur très granulaire, ultra-léger,avec plusieurs couches, installé très près du point d’interaction.

Mais : la recherche de processus rares, à haute énergie,entraîne des sections efficaces petites, que l’on cherche àcompenser par de hautes luminosités. D’où un haut taux d’occupation et des radiations ionisantes.

Le détecteur doit être rapide et tolérer les radiations.

Les technologies prouvées sont inadéquates ! * CCD : OK pour granularité et minceur, mais trop lents et pas assez de tenue aux radiations * HAPS (LHC) : qualités et défauts inverses !


Performances souhaitées pour l’ILC

5 couches concentriques (R=15-60mm,cos<0.95)IP = a + b/p.sin3/2 avec a ~5m, b<10m

Read-out : 20-25s (L0), 50s (L1), ~200s(autres)

Epaisseur : ~50m (capteur), ~0.1%X0/couche

Dissipation moyenne << 100W (éviter le cooling)

Tol. radiations : 250 kRads et 6.10250 kRads et 6.101111 n/cm n/cm22 (5ans) (5ans)


Some tagging performance plots in ee Some tagging performance plots in ee qq events qq events

Standard vertex detector, 91 GeV Large Rbp vertex detector, 91 GeV

Performance is greatly enhanced wrt to SLD thanks to improved vertex detector

e.g. Highly pure b tag can be also highly efficient, and high purity (85%) for c tagextends from 18% (SLD) to 35%(ILC)

Charm tagging suffers mostly by change in design, and affects strongly physics measurements. E.g. 15% error increase on Br(Hcc) (LC-PHSM-2004-xxx, T.Kuhl et al)


“Classic CCD”Readout time NM/Fout

N

M

N

Column Parallel CCDReadout time = N/Fout

Les CCD

Pour pallier la lenteur, le RAL essaye une lecture // des colonnesMais la tenue aux radiations risque d’être insuffisante.


Les pixels hybrides : Les pixels hybrides : Le détecteur à pixels d’ATLASLe détecteur à pixels d’ATLAS

3 couches et 4*2 disques de 3 couches et 4*2 disques de pixelspixels

50 50 m * 300 m * 300 mm Épaisseur : 300 Épaisseur : 300 mm spsp = 12 = 12 m (Rm (R))

~ 70 ~ 70 m (z)m (z) 1,4 %X1,4 %X00 par couchepar couche doit tenir 5 à 50*10doit tenir 5 à 50*101313

neutrons/cmneutrons/cm22/an/an


Les lignes des R&D actuellesLes lignes des R&D actuelles

Les MAPS (IReS, DAPNIA, RAL, …)Les MAPS (IReS, DAPNIA, RAL, …)

Les DEPFET (Bonn, Munich)Les DEPFET (Bonn, Munich)

SOI detector (Insubria, Cracovie)SOI detector (Insubria, Cracovie)


Caractéristiques et avantages des Caractéristiques et avantages des MAPSMAPS

Silicium type p basse resistivitéSignal produit dans la couche epi (low doping) Q ~80 e-h/mCollection par la jonction p-epi n-well

Avantages :System-on-chip : monolithique vraiVolume sensible = couche epi. -> amincissement à 25 m possibleTechno standard -> cout « faible »Tolérance aux radiations > CCD


MOS transistor instead of JFET

A pixel size of ca. 20 x 20 µm² is achievable using 3µm minimum feature size.

DEPFET

Bonn/Munich group

Silicium de haute resistivité, fully depleted

Une matrice de 520*4000pixels a déjà été réalisée,amincie à 50m.Impressionnant !

Reste hybride !


SOI detector SOI detector

DetectorDetector handlable wafer handlable wafer• High resistivityHigh resistivity• 300 300 m thickm thick

ElectronicsElectronics active layer active layer • Low resistivityLow resistivity• 1.5 1.5 m thickm thick• Readout pixels (min Readout pixels (min

charge sharing): charge sharing): 10 10 mm

Detector: conventional p+-n, DC-coupled

Electronics: preliminary solution – conventional bulk MOS technology on the thick SOI substrate

Insubria/Krakow group


MAPS en détailMAPS en détail

Les groupes impliqués dans la R&DLes groupes impliqués dans la R&D Les performances prouvéesLes performances prouvées La tolérance aux radiationsLa tolérance aux radiations L’amincissement industrielL’amincissement industriel La vitesse de read-outLa vitesse de read-out Applications en HEP, ailleursApplications en HEP, ailleurs Les études à faire (shopping list) Les études à faire (shopping list)


MAPS: les groupes qui travaillentMAPS: les groupes qui travaillent

Upgrade BELLE : Hawaï, Tokyo, KEK, Upgrade BELLE : Hawaï, Tokyo, KEK, Tsukuba, Cracovie.Tsukuba, Cracovie.

Upgrade STAR : Irvine, LBNL, IReS.Upgrade STAR : Irvine, LBNL, IReS. CBM (GSI) : GSI et IReS.CBM (GSI) : GSI et IReS. ILC : IReS, DAPNIA, LBNL, Oregon,ILC : IReS, DAPNIA, LBNL, Oregon,

Yale, RAL+Liverpool+Glasgow, Yale, RAL+Liverpool+Glasgow, Hambourg, Desy, Bergame, Come, Hambourg, Desy, Bergame, Come, Pavie, Rome.Pavie, Rome.


MAPS: ce qui a été faitMAPS: ce qui a été fait

Au moins 9 process explorés :Au moins 9 process explorés : AMS0.6(14AMS0.6(14m),AMS0.35(0),AMS0.35opto(10m),AMS0.35(0),AMS0.35opto(10m)m)

AMI(MIETEC)0.35(4AMI(MIETEC)0.35(4m), IBM0.25(2m), IBM0.25(2m), STM0.13(?)m), STM0.13(?) TSMC0.35(11TSMC0.35(11m), TSMC0.25(~6m), TSMC0.25(~6m)m)

Tests en faisceaux : performancesTests en faisceaux : performances STAR, ILC, CBM : MIMOSA (15 protos)STAR, ILC, CBM : MIMOSA (15 protos)

BELLE : CAP (Continuous Acquisition Pixel) (3 protos)BELLE : CAP (Continuous Acquisition Pixel) (3 protos)

Résultats encourageants après 6 ansRésultats encourageants après 6 ans excellence efficacité (M.I.P. detection) et resolutionexcellence efficacité (M.I.P. detection) et resolution

analogique OK, amincissement bien avancé, rad. tol. à suivre. analogique OK, amincissement bien avancé, rad. tol. à suivre.


MAPS : exploration des processus de MAPS : exploration des processus de fabricationfabrication

Nécessaire pour mesurer l’épaisseur de la couche epitaxiale, le Nécessaire pour mesurer l’épaisseur de la couche epitaxiale, le courant de fuite f(T,dose), le bruit, les rad. tol.courant de fuite f(T,dose), le bruit, les rad. tol.

Architecture simple, analogique pure.Architecture simple, analogique pure. AMS 0.35 opto semble pour l’instant le meilleur (MIMOSA9)AMS 0.35 opto semble pour l’instant le meilleur (MIMOSA9)

S/N ~25 (MPV) det > 99% sp = 1.5m (20m) 5.0m (40m)


MAPS : la résolution spatialeMAPS : la résolution spatiale Versus la taille du pixel :Versus la taille du pixel : Mesurée sur télescope au CERNMesurée sur télescope au CERN

(faisceau de (faisceau de de 120 GeV/c) de 120 GeV/c)

spsp ~1.5 ~1.5m (20m (20m pitch)m pitch)

5.05.0m (40m (40m pitch)m pitch)

Versus S/N et ADC n-bitsVersus S/N et ADC n-bits Résultats excellents sur pixels sans Résultats excellents sur pixels sans

traitement intégré du signal.traitement intégré du signal.

Simulation probSimulation probtt pessimiste. pessimiste.


MAPS : tolérance aux radiationsMAPS : tolérance aux radiations Radiations non ionisantes : neutrons de O(1MeV) à Radiations non ionisantes : neutrons de O(1MeV) à

JINR(Dubna) et CERI (Orléans). Doses jusqu’à 10JINR(Dubna) et CERI (Orléans). Doses jusqu’à 101313nneqeq/cm/cm22

On commence à perdre en charge collectée vers 10On commence à perdre en charge collectée vers 101212nneqeq/cm/cm22

IIleakleak et le bruit augmentent un peu (~10%). et le bruit augmentent un peu (~10%).

Très dépendant du processus de fabrication !Très dépendant du processus de fabrication !

S/N (MPV) versus fluence et T pour AMS-0.35 OPTO

Performances meilleuresavec T < 0°C


MAPS : tolérance aux radiationsMAPS : tolérance aux radiations Les radiations ionisantes ont des effets connus :Les radiations ionisantes ont des effets connus :

décalage des seuils en tension, augmentation des Idécalage des seuils en tension, augmentation des Ileakleak

Le design doit éviter les oxydes épais autour du N-well et Le design doit éviter les oxydes épais autour du N-well et sans doute inclure des anneaux de garde.sans doute inclure des anneaux de garde.

Un temps d’intégration court et T < 0°C aident.Un temps d’intégration court et T < 0°C aident.


MAPS : amincissementMAPS : amincissement

Capteurs MIMOSA5 (3.5cm2)

Developpé sur Mimosa5 :Amincissement à 120m « aisé » au niveau du wafer et pas de pertes de performancesLBNL a réussi 50m avec des résultats satisfaisants (fragile!)En France, TRACIT a atteint 70m et essaye de descendre à 40m.

Attention: enlever totalement le substrat n’est pas la solution : on observe une perte de charge qui fait baisser l’efficacité de detect.


MAPS : vitesse du read-outMAPS : vitesse du read-out

La granularité est attrayante, mais La granularité est attrayante, mais 5-505-50m pitch => O(10m pitch => O(1055-10-1066)pixels/cm)pixels/cm22

Une vitesse élevée de lecture nécessite un Une vitesse élevée de lecture nécessite un processing massivement parallèle.processing massivement parallèle.

data flow énorme : > O(10data flow énorme : > O(1022)Gbits/s/cm)Gbits/s/cm22

Deux solutions :Deux solutions :

Trigger externe et pixels à multi-mémoires.Trigger externe et pixels à multi-mémoires.

Data sparsification intégrée sur le chip.Data sparsification intégrée sur le chip.


MAPS : Trigger based proto (CAP)MAPS : Trigger based proto (CAP)Up to 10 memory cells/pixel, read out only if selected by external trigger


MAPS : system-on-chipMAPS : system-on-chip

Mimosa 8 (DAPNIA)Mimosa 8 (DAPNIA) * TSMC 0.25* TSMC 0.25m digital (~6m digital (~6m epi)m epi)

* 32*128 pixels (25* 32*128 pixels (25m pitch)m pitch)

* on-pixel CDS et discriminateur* on-pixel CDS et discriminateur

au bas de chaque colonne.au bas de chaque colonne.

Tests avec source et en faisceauTests avec source et en faisceau

(e(e-- 5 GeV à DESY) très encourageants 5 GeV à DESY) très encourageants


MAPS : system-on-chipMAPS : system-on-chip

• bruit du pixel faible : 13-18 e- ENC (CDS inclus)• dispersion pixel à pixel faible (< 10 e- ENC)• discriminateur effectif !

• lecture complète du chip en 20s (source), 50s (faisceau).

• S/N pour MIPs : ~10• efficacité detection : > 98%

MIMOSA8


MAPS : applicationsMAPS : applications

1.1. Super Belle (~2008 ?) Super Belle (~2008 ?) from strips to pixels !from strips to pixels !Pb : O(10)MRad/an et temp. ambiante : temps d’intégration brefPb : O(10)MRad/an et temp. ambiante : temps d’intégration brefTrigger externe (10kHz) : 10 « mémoires » par pixel, chacune étant la charge Trigger externe (10kHz) : 10 « mémoires » par pixel, chacune étant la charge

intégrée en 10intégrée en 10s.s.3 prototypes produits.3 prototypes produits.

2.2. STAR (2008) STAR (2008) veut mesurer le charme ouvert à RHIC.veut mesurer le charme ouvert à RHIC.

2 couches (~1500cm2 couches (~1500cm22) à R=15 & 50mm, avec ) à R=15 & 50mm, avec spsp<10<10m, 0.1%X0,m, 0.1%X0,read-out < 5ms, Pread-out < 5ms, Pdissdiss < 100mW/cm2, opérant à < 100mW/cm2, opérant à 30-40°C30-40°C, mais avec irradiation , mais avec irradiation

faible: O(10)kRad/an et 10faible: O(10)kRad/an et 101111nneqeq/cm/cm22/an./an.

Mimosa5 était le premier proto. On en est à MIMOSTAR2, qui approche lesMimosa5 était le premier proto. On en est à MIMOSTAR2, qui approche lesspécifications.spécifications.

33. Cold Baryonic Matter (GSI-2015 ?). Cold Baryonic Matter (GSI-2015 ?)Nécessite une intense R&D pour des capteurs rapides et rad-hard.Nécessite une intense R&D pour des capteurs rapides et rad-hard.


MAPS : les études à faireMAPS : les études à faire Exploration des process : Exploration des process : épaisseur epi, taille pixel, profil du épaisseur epi, taille pixel, profil du

dopage, nb de couches métal, …dopage, nb de couches métal, … La collection de charge : La collection de charge : améliorer S/N, réduire la taille du améliorer S/N, réduire la taille du

cluster, …cluster, … Architecture rapide : Architecture rapide : ADC, sparsificationADC, sparsification Architecture multi-mémoire : Architecture multi-mémoire : nb. max. de capa, architecture nb. max. de capa, architecture

de lecturede lecture Tolérance aux radiationsTolérance aux radiations Transfert du signal : Transfert du signal : électrique ou optiqueélectrique ou optique Amincissement et stitching : Amincissement et stitching : effet sur le budget matérieleffet sur le budget matériel Temperature et cooling : Temperature et cooling : circulation gaz suffisant ?circulation gaz suffisant ? Support mécanique et intégration : Support mécanique et intégration : <0.1%X<0.1%X00

Puissance dissipée et cycle du collisionneur : Puissance dissipée et cycle du collisionneur : fonctionnement « pulsé » ?fonctionnement « pulsé » ?


CONCLUSIONSCONCLUSIONS

La physique demande des détecteurs La physique demande des détecteurs de plus en plus précis => pixelsde plus en plus précis => pixels

3 ou 4 technologies sont étudiées3 ou 4 technologies sont étudiées MAPS : ~20 labos travaillentMAPS : ~20 labos travaillent déjà de très beaux résultatsdéjà de très beaux résultats plusieurs applications pour dès 2008plusieurs applications pour dès 2008 encore beaucoup d’efforts à faireencore beaucoup d’efforts à faire

C’est le bon moment pour renforcer cette R&D.C’est le bon moment pour renforcer cette R&D.

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